VP技术的行星齿轮机构仿真
目 录
1 引言 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究历史及现状 2
1.3 课题的主要内容 3
2 虚拟样机技术 3
2.1 虚拟样机的简介与特点 3
2.2 虚拟样机技术与传统CAX(CAD/CAE/CAM)技术的相比较 5
2.3 虚拟样机技术在我国汽车工业中的应用 5
3 简单行星齿轮机构的基本构造及工作原理 6
3.1 简单的行星齿轮机构的特点 6
3.2 行星齿轮机构的工作原理 7
3.3 行星齿轮机构基本特征 9
3.4 本章小结 9
4 行星齿轮机构建模和工作原理 10
4.1 SolidWorks软件介绍 10
4.2 SolidWorks环境下三维建模 10
4.3 本章小结 15
5 行星齿轮机构运动分析 15
5.1 导入模型 16
5.2 添加约束 16
5.3 仿真分析 18
5.4 本章小结 21
6 总结与展望 21
结 论 23
致 谢 24
1 引言
1.1 课题的研究背景与意义
行星齿轮传动机构具有紧凑的结构、 较强的承载能力和较低的轴承载荷等特点，所以被广泛的应用在航空、船舶、汽车、冶金等许多领域。尤其是在特殊的工作环境下，行星齿轮传动机构依然在今世界主减速器系统中的处于主流的地位。
目前，以数字化装配和计算机仿真分析为主要内容的虚拟样机技 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
术在机械设计与制造中得到了广泛应用。应用虚拟样机技术对系统进行建模仿真，并提出行星齿轮传动系统的优缺点，可以使得大批成品存在的缺点在没有成型之前可以被处理，而且更大程度的减少了产品的周期和降低了产品的成本，从而提高了产品与同行业的竞争能力。
1.2 国内外研究历史及现状
1.2.1 国内研究现状
行星齿轮机构是每一辆汽车上必不可少的主要零件的组成部分，在国内研究行星齿轮机构的并不是很多，而且主要研究方面在于研究传动系的运动学和动力学方向。黑龙江工程学院的刘长喜通过Pro/E三维建模软件进行参数化快速建模，将三维模型导人ADAMS中进行运动学及动力学仿真分析，获得核心单元的运动学及动力学参数及其输出特性曲线。他得出的结论是行星轮齿的运动轨迹是以偏心距为半径的圆，有利于机构平稳传动；行星轮与内齿圈角速度在启动时变化较大，稍后稳定并与理论值相吻合；行星轮与星轮轴之间的接触力方向上相反，大小不等，开始较大之后稳定，说明该机构设计较为合理[1]。李佩泉利用ADAMS对行星齿轮进行运动仿真分析，得出速度曲线并且分析行星齿轮传动系统的运动平稳性，提出了行星齿轮传动系统所存在的优缺点。郭会珍结合三维实体建模软件Pro/ E和动力学仿真软件ADAMS， 建立了行星齿轮机构的虚拟样机模型，证明了该研究方法的准确性以及可行性，为进一步研究行星轮系的运动学和动力学特性奠定了基础[2]。河南科技大学的雷贤卿将双行星齿轮传动系统的运动参数方程矩阵化，利用计算机软件matlab对其矩阵方程进行求解，得到双行星齿轮传动系统各构件的运动参数,运用三维设计软件Inventor建立零部件虚拟模型并装配，然后进行仿真，最终得到各构件的仿真参数[3]。仿真结果与计算结果一致，验证了计算结果的正确性，而且此方法方便、实用、快速，从古至今对行星齿轮机构的效率进行了大量研究，从理论上计算出行星齿轮机构的效率可达0 .97 ~ 0 .99，但这只是在理论上进行了推导，也没有采用其他方法进行验证。西安理工大学的周春国利用虚拟样机技术对行星齿轮机构的效率进行研究，从而对理论计算公式进行验证。根据Hertz 弹性碰撞理论，在齿轮之间施加接触力，实现了齿轮的啮合，然后分析了行星齿轮机构在不同工作模式下的机械效率， 验证了理论效率公式的正确性[4]。东北大学的王旭建立了非圆行星齿轮节曲线数学型，得到外啮合非圆行星齿轮机构的运动学共性。利用虚拟仿真技术，建立了非圆行星齿轮机构的虚拟实验模型，根据Hertz弹性碰撞理论合理的确定了模拟模型中参数进行运动学和动力学仿真，与机构实际运动进行了对比分析，验证了虚拟仿真的正确性,并且获得了机构动力学共性[4]。同济大学的杜爱民针对混合动力汽车用行星齿轮机构进行了分析，利用几何方法，优化混合动力汽车用行星齿轮结构特征参数，对行星齿轮结构动力分配器进行了动力学分析，建立其动力学微分方程，对选型的动力系统进行仿真分析[5]。从而得出，当ρ=3.3时，整车动力系统匹配较为合理。
1.2.2 国外研究现状
国外对于行星齿轮的研究比较少，Talpasanu提出了一种新方法，利用该机制的边缘导向图的关联矩阵锥齿轮系的运动分析。运动学方程然后以矩阵形式使用从一个周期拟阵一个周期的基础上获得的。这些方程可以是自动生成的，并允许该机制的齿轮和行星载体的角速度的一种高效的计算不使用时间导数操作。该方法适用于斜角的任意数量的自由度的齿轮或度齿轮系[6]。Christopher G. Cooley总结了行星和行星齿轮动力学与振动出版的期刊文章,从而了解到广泛的研究课题表明了行星齿轮动力学与振动的技术挑战,该研究审查包括数学模型，振动模态特性，动态响应预测，其中包含非线性和时变啮合刚度的波动曲线，弹性柔的效果，陀螺效应，以及其他主题[7]。实用方面还包括，例如，行星负载共享，行星相位，牙齿表面修饰，并测量振动响应的特性。
1.3 课题的主要内容
本课题主要从以下几个方面展开研究：
a）分析行星齿轮机构的组成和原理，以及行星齿轮机构的应用方面等等；
b）学习VP技术中的SolidWorks软件，利用SolidWorks软件对行星齿轮传动机构进行三维建模；
c）学习VP技术中的ADAMS 应用软件对建好的模型进行运动学仿真分析。
2 虚拟样机技术
2.1 虚拟样机的简介与特点
2.1.1 虚拟样机技术的定义
近年来,有关虚拟样机技术VP(Virtual Prototyping)的定义在很多文献中出现,学者们从各自的领域出发,给虚拟样机技术下了不同的定义。也正是这一原因,致使迄今为止虚拟样机并没有一个完全统一的定义。不过，一般来说,VP技术就是用一种虚拟的样机来代替真实的物理样机(模型)的技术。在开发常规的产品的整个过程中,物理样机模型的用途是验证设计思想,选择设计产品,以及测试产品的可制造性和展示产品的。因此虚拟样机要替代物理样机,首先来说就应该要具备上述功能。这样说来,虚拟样机不仅仅可以用来检测产品的外形和性能,并且可以用来进行一系列的相关研究。另外,物理样机可以让人对一个产品产生一种感观上的的评价,比如说颜色、形状、美学特性、触觉和舒适性等方面。若要替代物理样机的一些特性,把人与产品的交互需要应该包含在虚拟样机技术里面。
，
图4-3 属性界面图
即可得齿圈模型如下图
图4-4 齿圈
1 引言 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究历史及现状 2
1.3 课题的主要内容 3
2 虚拟样机技术 3
2.1 虚拟样机的简介与特点 3
2.2 虚拟样机技术与传统CAX(CAD/CAE/CAM)技术的相比较 5
2.3 虚拟样机技术在我国汽车工业中的应用 5
3 简单行星齿轮机构的基本构造及工作原理 6
3.1 简单的行星齿轮机构的特点 6
3.2 行星齿轮机构的工作原理 7
3.3 行星齿轮机构基本特征 9
3.4 本章小结 9
4 行星齿轮机构建模和工作原理 10
4.1 SolidWorks软件介绍 10
4.2 SolidWorks环境下三维建模 10
4.3 本章小结 15
5 行星齿轮机构运动分析 15
5.1 导入模型 16
5.2 添加约束 16
5.3 仿真分析 18
5.4 本章小结 21
6 总结与展望 21
结 论 23
致 谢 24
1 引言
1.1 课题的研究背景与意义
行星齿轮传动机构具有紧凑的结构、 较强的承载能力和较低的轴承载荷等特点，所以被广泛的应用在航空、船舶、汽车、冶金等许多领域。尤其是在特殊的工作环境下，行星齿轮传动机构依然在今世界主减速器系统中的处于主流的地位。
目前，以数字化装配和计算机仿真分析为主要内容的虚拟样机技 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
术在机械设计与制造中得到了广泛应用。应用虚拟样机技术对系统进行建模仿真，并提出行星齿轮传动系统的优缺点，可以使得大批成品存在的缺点在没有成型之前可以被处理，而且更大程度的减少了产品的周期和降低了产品的成本，从而提高了产品与同行业的竞争能力。
1.2 国内外研究历史及现状
1.2.1 国内研究现状
行星齿轮机构是每一辆汽车上必不可少的主要零件的组成部分，在国内研究行星齿轮机构的并不是很多，而且主要研究方面在于研究传动系的运动学和动力学方向。黑龙江工程学院的刘长喜通过Pro/E三维建模软件进行参数化快速建模，将三维模型导人ADAMS中进行运动学及动力学仿真分析，获得核心单元的运动学及动力学参数及其输出特性曲线。他得出的结论是行星轮齿的运动轨迹是以偏心距为半径的圆，有利于机构平稳传动；行星轮与内齿圈角速度在启动时变化较大，稍后稳定并与理论值相吻合；行星轮与星轮轴之间的接触力方向上相反，大小不等，开始较大之后稳定，说明该机构设计较为合理[1]。李佩泉利用ADAMS对行星齿轮进行运动仿真分析，得出速度曲线并且分析行星齿轮传动系统的运动平稳性，提出了行星齿轮传动系统所存在的优缺点。郭会珍结合三维实体建模软件Pro/ E和动力学仿真软件ADAMS， 建立了行星齿轮机构的虚拟样机模型，证明了该研究方法的准确性以及可行性，为进一步研究行星轮系的运动学和动力学特性奠定了基础[2]。河南科技大学的雷贤卿将双行星齿轮传动系统的运动参数方程矩阵化，利用计算机软件matlab对其矩阵方程进行求解，得到双行星齿轮传动系统各构件的运动参数,运用三维设计软件Inventor建立零部件虚拟模型并装配，然后进行仿真，最终得到各构件的仿真参数[3]。仿真结果与计算结果一致，验证了计算结果的正确性，而且此方法方便、实用、快速，从古至今对行星齿轮机构的效率进行了大量研究，从理论上计算出行星齿轮机构的效率可达0 .97 ~ 0 .99，但这只是在理论上进行了推导，也没有采用其他方法进行验证。西安理工大学的周春国利用虚拟样机技术对行星齿轮机构的效率进行研究，从而对理论计算公式进行验证。根据Hertz 弹性碰撞理论，在齿轮之间施加接触力，实现了齿轮的啮合，然后分析了行星齿轮机构在不同工作模式下的机械效率， 验证了理论效率公式的正确性[4]。东北大学的王旭建立了非圆行星齿轮节曲线数学型，得到外啮合非圆行星齿轮机构的运动学共性。利用虚拟仿真技术，建立了非圆行星齿轮机构的虚拟实验模型，根据Hertz弹性碰撞理论合理的确定了模拟模型中参数进行运动学和动力学仿真，与机构实际运动进行了对比分析，验证了虚拟仿真的正确性,并且获得了机构动力学共性[4]。同济大学的杜爱民针对混合动力汽车用行星齿轮机构进行了分析，利用几何方法，优化混合动力汽车用行星齿轮结构特征参数，对行星齿轮结构动力分配器进行了动力学分析，建立其动力学微分方程，对选型的动力系统进行仿真分析[5]。从而得出，当ρ=3.3时，整车动力系统匹配较为合理。
1.2.2 国外研究现状
国外对于行星齿轮的研究比较少，Talpasanu提出了一种新方法，利用该机制的边缘导向图的关联矩阵锥齿轮系的运动分析。运动学方程然后以矩阵形式使用从一个周期拟阵一个周期的基础上获得的。这些方程可以是自动生成的，并允许该机制的齿轮和行星载体的角速度的一种高效的计算不使用时间导数操作。该方法适用于斜角的任意数量的自由度的齿轮或度齿轮系[6]。Christopher G. Cooley总结了行星和行星齿轮动力学与振动出版的期刊文章,从而了解到广泛的研究课题表明了行星齿轮动力学与振动的技术挑战,该研究审查包括数学模型，振动模态特性，动态响应预测，其中包含非线性和时变啮合刚度的波动曲线，弹性柔的效果，陀螺效应，以及其他主题[7]。实用方面还包括，例如，行星负载共享，行星相位，牙齿表面修饰，并测量振动响应的特性。
1.3 课题的主要内容
本课题主要从以下几个方面展开研究：
a）分析行星齿轮机构的组成和原理，以及行星齿轮机构的应用方面等等；
b）学习VP技术中的SolidWorks软件，利用SolidWorks软件对行星齿轮传动机构进行三维建模；
c）学习VP技术中的ADAMS 应用软件对建好的模型进行运动学仿真分析。
2 虚拟样机技术
2.1 虚拟样机的简介与特点
2.1.1 虚拟样机技术的定义
近年来,有关虚拟样机技术VP(Virtual Prototyping)的定义在很多文献中出现,学者们从各自的领域出发,给虚拟样机技术下了不同的定义。也正是这一原因,致使迄今为止虚拟样机并没有一个完全统一的定义。不过，一般来说,VP技术就是用一种虚拟的样机来代替真实的物理样机(模型)的技术。在开发常规的产品的整个过程中,物理样机模型的用途是验证设计思想,选择设计产品,以及测试产品的可制造性和展示产品的。因此虚拟样机要替代物理样机,首先来说就应该要具备上述功能。这样说来,虚拟样机不仅仅可以用来检测产品的外形和性能,并且可以用来进行一系列的相关研究。另外,物理样机可以让人对一个产品产生一种感观上的的评价,比如说颜色、形状、美学特性、触觉和舒适性等方面。若要替代物理样机的一些特性,把人与产品的交互需要应该包含在虚拟样机技术里面。
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图4-3 属性界面图
即可得齿圈模型如下图
图4-4 齿圈
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